光电原位有源像素传感器及其制造方法与流程

本发明涉及半导体器件，特别涉及一种光电原位有源像素传感器(photoelectron in-situ sensing device，pisd)。本发明还涉及一种光电原位有源像素传感器的制造方法。

背景技术：

1、现有传统的图像传感器主要包括电荷耦合器件(ccd)和cmos图像传感器(cis)，该两种技术发展已较为成熟且得到广泛应用，但基于电荷传输的工作机理，该两种技术具有无法克服的劣势，如结构复杂、功耗高、量子效率等。为克服传统图像传感器的种种不足，发明人曾提出基于全耗尽绝缘层上硅衬底(soi)的光电原位有源像素传感器(pisd)，其应用soi衬底的界面耦合效应作为光电传感机理，对于n衬底p型pisd，其中，n型衬底表示soi衬底中的底部的半导体主体层为n型掺杂，p型pisd表示形成于soi衬底的半导体顶层中的mos晶体管为pmos，半导体主体层和半导体顶层的材料通常为硅，当在n衬底p型pisd的衬底加上正电脉冲时，在氧化埋层/衬底下方形成耗尽层，光照后该耗尽层内产生的光生空穴将在耗尽区电场作用下转移至氧化埋层/衬底界面下方，并通过界面耦合效应增大顶层硅沟道的阈值电压，降低输出电流和源极输出电压，实现传感效果。

2、在传统pisd基础上，通过修改栅极结构，可以调整器件灵敏度和动态范围等，满足不同的应用需求，并发展出了可在使用中调节性能的pisd器件。但现有pisd器件的耗尽情况仍取决于所加电脉冲，耗尽区集中在栅极附近且耗尽程度低，使得衬底中光生载流子分离和迁移速率较慢；同时器件中载流子寿命短，暗电流效应明显。综合来看，器件灵敏度较低，难以满足实际需求。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种光电原位有源像素传感器，能扩大感光结构的耗尽区，增加光生载流子分离和迁移速率，还能增加载流子寿命以及减少暗电流。为此，本发明还提供一种光电原位有源像素传感器的制造方法。

2、为解决上述技术问题，本发明提供的光电原位有源像素传感器的器件单元结构形成于混合衬底上，所述混合衬底由soi衬底和半导体衬底组成。

3、所述soi衬底包括半导体主体层，介质埋层和半导体顶层，所述介质埋层形成于所述半导体主体层表面，所述半导体顶层形成于所述介质埋层表面。

4、所述半导体衬底包括所述半导体主体层和形成于所述半导体主体层表面的半导体外延层。

5、所述半导体主体层具有第二导电类型轻掺杂，所述半导体外延层具有第二导电类型轻掺杂。

6、所述器件单元结构包括mos晶体管和感光结构。

7、所述mos晶体管形成于所述半导体顶层上，所述mos晶体管的沟道区由所述半导体顶层组成。

8、所述感光结构包括嵌入式pn二极管，所述嵌入式pn二极管包括形成于所述半导体外延层表面区域中的第一导电类型重掺杂的第一电极区以及由所述第一电极区底部的所述半导体外延层和所述半导体顶层组成的第二电极区。

9、所述mos晶体管底部的所述介质埋层和所述半导体主体层的第一界面作为第二导电类型的光生载流子收集端。

10、所述第一电极区通过接触孔连接到由正面金属层组成的第一电极，所述第一电极用于连接反偏电压。

11、所述器件单元结构在工作状态下，所述反偏电压使所述嵌入式pn二极管的所述第二电极区耗尽并形成用于感光的第一耗尽区，所述反偏电压还使所述第一耗尽区中产生的第二导电类型的光生载流子转移到所述第一界面处；所述第一界面处的所述光生载流子通过界面耦合效应使所述mos晶体管的阈值电压变化。

12、进一步的改进是，所述mos晶体管形成于由浅沟槽隔离围成的第一有源区中，所述浅沟槽隔离的底部区域进入到所述半导体主体层中。

13、进一步的改进是，所述mos晶体管的栅极结构为平面栅，所述栅极结构形成于所述半导体顶层的顶部表面上，被所述栅极结构所述覆盖的所述半导体顶层作为所述沟道区。

14、在所述栅极结构两侧分别形成有重掺杂的源区和漏区，所述源区和所述漏区的掺杂类型相同且和所述沟道区的掺杂类型相反。

15、进一步的改进是，所述mos晶体管为nmos，所述源区和所述漏区都为n型重掺杂；

16、或者，所述mos晶体管为pmos，所述源区和所述漏区都为p型重掺杂。

17、进一步的改进是，所述器件单元结构的周侧形成有深沟槽隔离。

18、所述深沟槽隔离穿过所述半导体衬底。

19、进一步的改进是，在所述深沟槽隔离的深沟槽侧面形成有第一导电类型的第一包层。

20、进一步的改进是，所述第一电极区覆盖的面积占所述深沟槽隔离所围区域范围内的所述半导体衬底的面积的10％～100％。

21、进一步的改进是，所述器件单元结构还包括：

22、形成于所述半导体主体层背面的背面氧化层。

23、在所述背面氧化层的背面形成有背面氮化硅、背面多晶硅或者背面透明电极。

24、进一步的改进是，所述器件单元结构中的所述mos晶体管的数量为一个，光电原位有源像素传感器为单晶体管有源像素传感器。

25、进一步的改进是，第一导电类型为n型，第二导电类型为p型；或者，第一导电类型为p型，第二导电类型为n型。

26、为解决上述技术问题，本发明提供的光电原位有源像素传感器的制造方法包括如下步骤：

27、步骤一、提供混合衬底，所述混合衬底由soi衬底和半导体衬底组成。

28、所述soi衬底包括半导体主体层，介质埋层和半导体顶层，所述介质埋层形成于所述半导体主体层表面，所述半导体顶层形成于所述介质埋层表面。

29、所述半导体衬底包括所述半导体主体层和形成于所述半导体主体层表面的半导体外延层。

30、所述半导体主体层具有第二导电类型轻掺杂，所述半导体外延层具有第二导电类型轻掺杂。

31、步骤二、在所述半导体顶层上形成器件单元结构的mos晶体管。

32、所述mos晶体管的沟道区由所述半导体顶层组成。

33、步骤三、在所述半导体外延层的表面区域中形成嵌入式pn二极管的第一导电类型重掺杂的第一电极区。

34、所述第一电极区底部的所述半导体外延层和所述半导体顶层组成所述嵌入式pn二极管的第二电极区。

35、所述器件单元结构的感光结构包括所述嵌入式pn二极管。

36、步骤四、形成接触孔以及由正面金属层组成的电极，电极包括通过接触孔和所述第一电极区相连的第一电极，所述第一电极用于连接反偏电压。

37、所述mos晶体管底部的所述介质埋层和所述半导体主体层的第一界面作为第二导电类型的光生载流子收集端。

38、所述器件单元结构在工作状态下，所述反偏电压使所述嵌入式pn二极管的所述第二电极区耗尽并形成用于感光的第一耗尽区，所述反偏电压还使所述第一耗尽区中产生的第二导电类型的光生载流子转移到所述第一界面处；所述第一界面处的所述光生载流子通过界面耦合效应使所述mos晶体管的阈值电压变化。

39、进一步的改进是，在进行步骤二之前，还包括：

40、形成浅沟槽隔离，所述浅沟槽隔离的底部区域进入到所述半导体主体层中。

41、在所述mos晶体管形成于由所述浅沟槽隔离围成的第一有源区中。

42、进一步的改进是，步骤二包括如下分步骤：

43、形成所述mos晶体管的栅极结构，所述栅极结构为平面栅，所述栅极结构形成于所述半导体顶层的顶部表面上，被所述栅极结构所述覆盖的所述半导体顶层作为所述沟道区。

44、在所述栅极结构两侧同时形成重掺杂的源区和漏区，所述源区的掺杂类型相同且和所述沟道区的掺杂类型相反。

45、进一步的改进是，所述mos晶体管为nmos，所述源区和所述漏区都为n型重掺杂。

46、或者，所述mos晶体管为pmos，所述源区和所述漏区都为p型重掺杂。

47、进一步的改进是，在步骤二之前，还包括：

48、在所述器件单元结构的周侧形成深沟槽，所述深沟槽位于所述半导体衬底中。

49、在所述深沟槽中填充介质层形成深沟槽隔离。

50、进一步的改进是，在所述深沟槽形成之后以及在所述深沟槽中填充介质层之前还包括：

51、在所述深沟槽隔离的深沟槽侧面形成有第一导电类型的第一包层。

52、所述第一包层通过外延生长并进行第一导电类型的在位掺杂形成，或者，所述第一包层通过第一导电类型的离子注入形成。

53、进一步的改进是，所述第一电极区覆盖的面积占所述深沟槽隔离所围区域范围内的所述半导体衬底的面积的10％～100％。

54、进一步的改进是，还包括如下背面工艺：

55、对所述半导体主体层进行减薄，减薄后，所述深沟槽隔离穿过所述半导体衬底。

56、在所述半导体主体层的背面形成背面氧化层，所述背面氧化层还覆盖所述深沟槽隔离的背面。

57、在所述背面氧化层的背面形成背面氮化硅、背面多晶硅或者背面透明电极。

58、进一步的改进是，所述器件单元结构中的所述mos晶体管的数量为一个，光电原位有源像素传感器为单晶体管有源像素传感器。

59、本发明在主要由半导体衬底组成的感光结构中引入嵌入式pn二极管，和直接由半导体衬底组成的单一掺杂浓度的背栅结构相比，本发明的嵌入式pn二极管本身具有自发空间电荷区，当加上反偏电压时，嵌入式pn二极管形成的耗尽区即第一耗尽区会进一步扩大，耗尽程度会加深，耗尽区扩大后，光生载流子产生后，不仅感光区域增加，从而能产生更多的光生载流子，在耗尽区内会受到更大的电场作用，所以能增加光生载流子分离和迁移速率。

60、另外，本发明还能进一步结合在嵌入式pn二极管的第二电极区对应的半导体衬底周侧形成和第二电极区掺杂类型相反的第一包层以及半导体衬底的底部形成背面氧化层以及在背面氧化层的背面叠加背面氮化硅、背面多晶硅或者背面透明电极，能对第一耗尽区产生钝化作用，这样第一耗尽区周侧的缺陷会变少，光生载流子被缺陷复合的量就会变少，故能延长载流子寿命并降低暗电流。

61、所以，本发明能扩大感光结构的耗尽区，增加光生载流子分离和迁移速率，还能增加载流子寿命以及减少暗电流，最后能提升传感器的探测灵敏度并优化光电传感性能。